一種面向測井儀的井下溫度測量方案

地層溫度是油氣測井和地質勘探課題中的一個主要參數，其測量監控是測井儀器的集成功能中的必要部分。本文針對常見類型的電法數字測井儀，提出一種井下作業的溫度測量方案，并分別對該方案中功能模塊的整體結構設計、硬件設計、軟件設計進行闡述，著重介紹傳感器選型、溫度轉換電路及其接口和數據刻度校正方法等方面。最后通過相關實驗數據和實測結果對該方案實現的功能進行驗證，以滿足測井儀的井下溫度測量需要。

地層溫度是油氣探測開發的重要參數，它可作為地層勘探、鉆井測井的一項實用參考指標和地質評價的一支信息依據。為了準確分析與地層介質相關的溫度信息因素，并且及時監測周圍環境溫度確保測井儀器的正常工作狀態，需要井下作業的測井儀器能夠靈敏地捕捉和測量地層溫度，并將該信息傳輸至地面控制系統用以記錄分析。基于此本文提出一種低成本、高靈敏度、高精度的面向數字測井儀的溫度測量方案，以實現上述需求。

1 系統總體結構設計

該井下溫度探測系統由傳感測溫電路、信號采集電路、信號傳輸電路、地面上位機系統組成，其總體結構框圖如下所示：

圖1 系統總體框圖

本文主要就傳感測溫電路、信號采集電路以及地面上位機系統的數據處理方法加以討論，提出可實現的具體溫度測量方案，并且假設來自采集電路的信號可以正確地通過信號傳輸電路至地面上位機系統。

2 系統硬件設計

2.1 溫度傳感器的選取

地層溫度的主要來源是地球內部熱能，一般情況下取決于地層的埋藏深度，地溫與深度之間有以下關系：

（1）

其中： 為地面活動層下邊界的溫度，典型值為20 ； 為平均地溫梯度，單位為 ，典型值為 ； 為距活動層下界處的距離，單位為 。因此，當測井深度為5千米時該處地層溫度可達170 ，溫度傳感器需對此溫度范圍有效響應。

考慮到其他如溫度系數、精度和穩定性、探測位置的自由度、與其他電路接口的簡易程度等因素，選擇鉑電阻熱傳感器Pt100作為溫度傳感器件。其熱響應時間小，溫度范圍大，適合井下作業測溫。在 范圍內其電阻值與溫度的關系可精確地表示為[1]：

（2）

其中 為鉑電阻傳感器在 的阻值， 為鉑電阻處于 的電阻值。對于Pt100， 。在 ，電阻值近似線性變化；大于 時二次項 將產生一定影響，是深井測溫時需考慮并作一定校正處理的因素。

2.2 溫度測量電路

溫度測量電路將溫度傳感器的參數變化轉換為電信號，并將此信號輸出至信號采集電路前端。該部分電阻式測溫電路設計如下：

圖2 電阻式溫度測量電路

運用線性區運算放大器的一般分析方法，可以得到以下節點的輸出電壓：

（3）

其中 為Pt100傳感器一定溫度下的電阻；當選擇 與Pt100的 電阻

有關系 時，結合（2）得到

（4）

（4）中 表達式只有為 變量，這樣輸出電壓信號 與溫度 近似線性變化，

即完成了對溫度的測量。電容 進行輸入低通濾波；電容 和電阻 構成一階RC低通電路，濾除進入采集電路的輸入信號 上的高頻噪聲。

2.3 信號采集電路及接口

信號采集電路需完成溫度信號和其他測井信號的從模擬量到數字序列轉換，并將轉換結果送至微控制器，該文原載于中國社會科學院文獻信息中心主辦的《環球市場信息導報》雜志http：//www.ems86.com總第543期2014年第11期-----轉載須注名來源以完成存儲、編碼、發送等其它任務。采集電路分別與各傳感測量電路模塊和微控制器接口，這樣方便不同測量模塊的功能組合，且轉換得到的結果具有統一的數據格式，微控制器易于處理。該部分電路設計如下：

圖3 信號采集電路與接口

在此電路中，各傳感測量信號和溫度信號一起接入到多路選擇開關MUX的輸入端，微控制器MCU通過改變其地址線 對不同信號進行選通（或控制模數轉換器ADC的不同通道）。ADC與MCU通過SPI接口互連，用來傳輸AD轉換結果的數據。MCU工作在主控接收模式，通過某端口引腳輸出連接ADC的讀寫模式引腳 來控制AD轉換的采樣與開啟，并以串行時鐘引腳SCK輸出向ADC提供數據時鐘。ADC工作在從動發送模式，當其完成1字節的模數轉換將使BUSY引腳上信號置位，從而該信號的上升沿跳變可以在ExtInt引腳觸發MCU的外部中斷。查詢或處理該中斷，隨后即可通過DATA引腳將轉換的結果序列輸出至MCU的串行數據輸入引腳SDI，完成對溫度信號及其他測量信號的采集。

該方案中溫度測量電路與微控制器無直接接口，因此該測溫模塊與測井儀的其它功能模塊相對獨立，且不占用微控制器的多余引腳等硬件資源，適合在井下作業的數字測井儀器平臺上實現。

3 系統軟件設計

3.1數據采集流程

可編程微控制器對包含溫度轉換信號的數據采集是在SPI協議下，從模數轉換器ADC讀取一定位寬的轉換結果。該采集過程的軟件流程如下：

圖4 微控制器的數據采集流程

3.2地面系統數據刻度

為獲得準確的溫度測量數據，在硬件部分可通過在測量電路選擇合適的電阻、電容，使溫度測量輸出信號 的噪聲較小，且測溫范圍內 的幅度更多地處于ADC的采集范圍，以提高轉換分辨率和抗干擾能力。

另一方面由于實際測井應用需要對測得數據進行解釋，因此地面系統應對各測量的數字信號進行準確刻度。溫度數據的刻度主要是將溫度傳感器置于可量化的標準熱源中，讀取地面系統的接收數據進行標度，并將其與溫度的對應關系作為地面軟件處理和計算的依據。

在實際標度過程中，若局部溫度數據由于Pt100鉑電阻傳感器阻值變化而產生較明顯的非線性，可采用基于最小二乘法的高次多項式擬合或分段線性標定等方法，以克服傳感器本身性質或其他偶然因素帶來的非線性誤差，地面系統上位機軟件也可做出針對性的數據修改和校正。

4 實驗結果與結論

圖5所示是溫度傳感器在標準烤箱下測得的一組AD數據結果與擬采用的標定曲線：

圖5 實測溫度數據與標定曲線

由以上數據可得測量的溫度數據較穩定，在很大范圍內線性度良好，測量精度高；超過 時Pt100傳感器出現一定的非線性誤差，采用最小二乘法的二次擬合更適用大范圍的溫度標定。

溫度數據標定后將各系數應用在上位機軟件，將計算得到的溫度與標準烤箱溫度對比，二者誤差在 。測量結果精度較高且對溫度變化靈敏，能夠將地層溫度實時地反映給地面系統，各性能指標可靠滿足設計需求，說明該設計下的溫度測量模塊適用于數字測井儀較大范圍的井下測溫。

（作者單位：西安石油大學光電油氣測井與檢測實驗室）